[논문]교량의 안전성 평가 기법 개발

공정식; 이원우; 김정훈; 정진수

교량의 안전성 평가 기법 개발
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공정식 (고려대학교 건축사회환경공학과) , 이원우 (고려대학교 건축사회환경공학과) , 김정훈 (고려대학교 건축사회환경공학과) , 정진수 (고려대학교 건축사회환경공학과)

현재 국내에서 사용하고 있는 교량구조물의 성능평가방법으로는 크게 공용하중에 대한 내하율을 구하기 위하여 허용응력개념이나 강도설계 개념을 적용한 내하력 평가 기법이 사용되고 있다. 그러나 위의 방법들은 일반적으로 공용연수의 경과에 따른 재료 및 구조적 성능의 손실과 여러 가지 하중 및 환경적 요인들의 불확실성으로 인하여 발생하는 손상 및 열화를 반영하기 어렵다. 그리고 제원 및 재료물성치의 불확실성에 대한 기존 설계 자료의 DB 부족으로 기존의 평가방법에서는 이러한 시간의 경과에 따른 성능저하를 정확히 산정할 수 없어 이론상의 값과 실제 구조물과의 차이로 인한 불확실성이 존재 한다. 이에 본 연구에서는 공용년수 경과에 따른 시설물의 재료 구조적인 성능 및 거동분석 수행, 신뢰성 해석 수행을 바탕으로 교량 안전성 평가의 합리성 및 현실성을 제고하며, 구조 신뢰성 해석을 수행함으로써 실제 구조물의 강도 한계상태에 대한 파괴확률을 산정하고 그에 대응하는 위험도를 평가함으로써 안전성 검토를 수행하였다.

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가설 설정

거더 타설, 긴장력 도입, 슬래브 합성 등을 순차적으로 시공단계해석으로 수행하였으며 비 일체형 거동 모델링에서는 슬래브를 합성하지 않고 슬래브, 연석, 포장의 하중을 계산하여 거더에 하중으로 재하하였다. 시공년도가 1980년대 이전이므로 강선은 보통 릴랙세이션으로 가정하였다.

제안 방법

1. 재료강도, 부재 제원, 염화물 시험 등을 통해 설계값과 실제 사용환경 사이의 변동성을 분석하였다. 강재의 경우 최대 6%의 차이를 보였으며 제원의 경우도 최대 12%의 차이를 보여 거더의 제원 또한 변동성이 매우 크다는 것을 알 수 있었다.
크게 거더와 슬래브의 일체형 거동 및 비 일체형 거동의 두 가지 케이스를 나누어 해석을 실시하였다. 거더 타설, 긴장력 도입, 슬래브 합성 등을 순차적으로 시공단계해석으로 수행하였으며 비 일체형 거동 모델링에서는 슬래브를 합성하지 않고 슬래브, 연석, 포장의 하중을 계산하여 거더에 하중으로 재하하였다. 시공년도가 1980년대 이전이므로 강선은 보통 릴랙세이션으로 가정하였다.
기존 정밀 안전진단 수행의 목적은 외관조사, 비파괴 시험, 구조해석, 현장측정 등의 결과를 활용하여 내하력을 평가하고 보수보강 대책을 수립하는 것이다. 그러나 본 연구에서는 철거대상 구조물을 통하여 기본 시설물에서 수행할 수 없는 다양한 실험 및 분석을 시행하고, 철거시점에 비파괴시험이 아닌 실제 코어링을 통한 샘플을 채취하여 부재별 물성치를 파악하고 스마트해석을 통한 실제구조물의 거동을 살펴봄으로써 실질적인 내하력을 산정하고 신뢰성 해석을 수행하였다.
마이다스 해석 프로그램을 사용하여 구조 해석을 실시한 후 내하력을 산정하였다. 크게 거더와 슬래브의 일체형 거동 및 비 일체형 거동의 두 가지 케이스를 나누어 해석을 실시하였다.
마이다스 해석 프로그램을 사용하여 구조 해석을 실시한 후 내하력을 산정하였다. 크게 거더와 슬래브의 일체형 거동 및 비 일체형 거동의 두 가지 케이스를 나누어 해석을 실시하였다. 거더 타설, 긴장력 도입, 슬래브 합성 등을 순차적으로 시공단계해석으로 수행하였으며 비 일체형 거동 모델링에서는 슬래브를 합성하지 않고 슬래브, 연석, 포장의 하중을 계산하여 거더에 하중으로 재하하였다.

대상 데이터

본 연구의 대상인 문래 고가차도는 1979년 6월에 준공되었으며 세부 개요는 다음 표와 같다.

성능/효과

2. 내하성능의 경우 처짐에 의한 보정계수가 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다. 이러한 결과로부터 교량 거동의 객관적인 성능평가를 위한 평가 지표 개발이 필요하다 판단되며 신뢰성 해석의 결과 또한 산출의 타당성을 면밀히 검토해야 한다.
3. PSC beam 교량의 경우 활하중에 의한 변위는 큰 차이가 없어 긴장력이 다르더라도 보정계수 산정에 영향이 적고 따라서 휨강도 공용내하력이 실교량의 성능을 제대로 반영하지 못할 수 있다. 따라서 교량 성능의 합리적 평가를 위해서는 휨성능 뿐 아니라 변위 성능 등 복합 평가 지표를 고려해야 할 필요가 있다 판단된다.
재료강도, 부재 제원, 염화물 시험 등을 통해 설계값과 실제 사용환경 사이의 변동성을 분석하였다. 강재의 경우 최대 6%의 차이를 보였으며 제원의 경우도 최대 12%의 차이를 보여 거더의 제원 또한 변동성이 매우 크다는 것을 알 수 있었다.
일반 적인 구조물의 설계 목표 신뢰성 지수는 3.0으로서 대상교량의 신뢰성 지수가 6.02와 5.59로 구조적 안전성이 충분히 보장되는 것으로 나타났다. 그러나 외부영향(온도, 습도, 풍하중)을 고려하지 못하여 신뢰성 지수 값이 올라간 경향이 있으며 외부강선 보강 직후의 샘플링 채취가 없었으므로 철거시점과 외부강선 보강 직후의 신뢰성지수가 변동이 없는 결과를 보였으므로 추후 이 부분에서 연구가 더 이루어져야 할 것이다.

후속연구

59로 구조적 안전성이 충분히 보장되는 것으로 나타났다. 그러나 외부영향(온도, 습도, 풍하중)을 고려하지 못하여 신뢰성 지수 값이 올라간 경향이 있으며 외부강선 보강 직후의 샘플링 채취가 없었으므로 철거시점과 외부강선 보강 직후의 신뢰성지수가 변동이 없는 결과를 보였으므로 추후 이 부분에서 연구가 더 이루어져야 할 것이다.
내하성능의 경우 처짐에 의한 보정계수가 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다. 이러한 결과로부터 교량 거동의 객관적인 성능평가를 위한 평가 지표 개발이 필요하다 판단되며 신뢰성 해석의 결과 또한 산출의 타당성을 면밀히 검토해야 한다.

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